高性能鉍層狀結構超高溫壓電材料結構缺陷調控機理

《高性能鉍層狀結構超高溫壓電材料結構缺陷調控機理》是依託西安電子科技大學，由龍昌柏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高性能鉍層狀結構超高溫壓電材料結構缺陷調控機理
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：龍昌柏
• 依託單位：西安電子科技大學

中文摘要

高居里溫度（Tc＞650 °C）的鉍層狀結構壓電陶瓷是最為重要的高溫電子器件材料之一，其可製作成工作溫度為400-700 °C的高溫壓電感測器，廣泛用於汽車、航空航天、核能、發電、化工等領域。但是，由於其獨特的晶體結構，這類材料的壓電回響（d33）相對較低。本項目擬以Tc高於900 °C的鉍層狀結構壓電陶瓷CaBi2Me2O9（Me = Nb、Ta）為研究對象，研究離子固溶取代誘導的結構缺陷對材料結構和最佳化性能的調控機理，開發新型高d33的超高溫壓電材料。首先，研究CaBi2Me2O9基陶瓷材料的製備工藝，確定其晶體結構、顯微結構、電疇結構。其次，揭示不同結構缺陷對CaBi2Me2O9基材料結構和性能的調控作用，闡明調控結構與最佳化性能之間的相關性。最後，研究CaBi2Me2O9基材料內結構缺陷類型，探索鉍層狀結構鐵電體的缺陷極化機制，引導其對材料鐵電極化以及壓電性能的貢獻。

結題摘要

高溫壓電感測器是一類重要的電子元器件，廣泛地套用於航天航空、核能、發電、船舶等領域，用來健康監控和無損傷檢測各類裝置高溫工作狀態。高溫壓電材料是高溫壓電感測器的核心器件。本項目首先研究了鉍層狀結構高溫壓電材料內缺陷如氧空位的形成機理，揭示了缺陷及缺陷極化對材料電學性能的作用機制，掌握了不同摻雜取代等方式對缺陷種類和濃度的影響規律；其次揭示了鉍層狀結構高溫壓電材料電導機制，其主要為p-型電導，導電離子為正電空穴。通過W6+、Nb5+等施主摻雜可以大大地增加它們的高溫電阻率（電導率），顯著地降低了其漏導損耗，增大其耐擊穿電場。此外，可以通過受主取代使鉍層狀結構高溫壓電材料轉變為氧離子導體，650-800度時其離子電導率大於0.01 S/cm2，氧遷移數為0.91-0.94。最後通過多種晶格缺陷複合改良了鉍層狀結構高溫壓電材料的電學性能，有意義地是獲得了多種居里溫度(Tc)高、壓電活性(d33)高、鐵電極化強度(Pr)大、電致應變數(S33)大、高電阻率(p)大且熱穩定性好的高溫超高溫壓電感測器材料，其Tc、d33、Pr、S33，分別高達953°C、23.5 pC/N、26.98 uC/cm2、7.59x 10-4、28.2 pC/N。